安保职称论文发表细水雾作用下室内火灾数值模拟研究

　　摘要：在3.5 m×3 m的小室内，采用煤油模拟油池火，进行细水雾灭火模拟试验，试验结果表明，Fluent能很好的模拟水滴与高温烟气的相互作用。

　　关键词：安保职称论文发表,核心期刊论文发表,细水雾,通风条件,灭火效果,Fluent

　　1. 研究背景

　　细水雾灭火技术具有无环境污染、灭火迅速、用水量少、对防护对象破坏小、有效冲刷烟气等热点。目前被公认为哈龙系列灭火剂的主要替代品。自1987年蒙特利尔公约签订以来，细水雾灭火技术受到世界各国的重视，已成为当今国际灭火安全技术前沿的研究热点之一[1] 。

　　近年来，计算机模拟方法已经成为研究火灾发生、发展规律的重要手段。随着计算机技术的发展和湍流燃烧理论的完善，计算流体力学越来越广泛的应用于细水雾灭火研究中。本文采用计算流体动力学软件Fluent对小室内火灾在水喷淋存在的情况下的变化规律进行研究，分析室内温度场和组分浓度变化情况。

　　2. 水滴与火羽流的相互作用分析

　　细水雾灭火是一个及其复杂的过程，灭火过程中水滴与火羽流的相互作用主要有四个方面

　　(1)动量相互作用，水喷雾能改变火焰的气流形式，从而改变气流结构、热以及物质传递特性，细水雾作用于火焰后，发生动量转换，火焰受到细水雾的剧烈扰动，被撕裂或拉长，使火焰的强度减小、稳定性降低，而易于熄灭;

　　(2)热相互作用，当水雾喷入火焰区时，由于水雾的表面积很大，它会吸收来自火焰的热量，使其温度升高，并发生气化，大量水雾的升温—气化将吸收大量的热量，使火焰温度大大降低;

　　(3)稀释一隔氧作用，当细水雾在火焰高温区蒸发时，水蒸汽将沿着与火焰中O2输运方向相反的方向扩散，在两者相向扩散的过程中相遇并混合，使O2浓度降低，从而起到抑制火焰的作用，水雾气化产生的水蒸汽也能稀释液态燃料蒸发产生的燃料蒸汽，抑制燃料的燃烧。另外，细水雾气化产生的大量水蒸汽因扩散滞后，在火焰外表面形成一个惰性气体外壳，阻止燃料和氧气的接触，从而抑制其燃烧。

　　(4)热辐射的减弱，细水雾及其蒸汽吸收高温火焰的辐射热，使火焰对燃烧物的热辐射降低.另外，由于水蒸汽的大热容量和细水雾的巨大比表面积，提高了对火焰的冷却效果，也使火焰对燃烧物表面的热辐射降低。水有吸收热辐射的能力，在灭火过程中，水雾极其迅速的蒸发，产生高强度的吸热屏障，遮断热辐射的传递，降低对燃料的热反馈。Coppalle等人对水雾减弱热辐射进行了研究。假设衰减作用是由吸热和散射共同作用的结果(很大程度上是散射)。以温度为1300℃的黑体作为火源(最大辐射波长λ=1.93 m)，其能量的辐射波长在1 m～10 m之间。结果发现：雾滴直径和最大发射波长的数量级相同时，水雾衰减辐射能力最强。

　　除此之外，加了添加剂的细水雾在灭火过程中还对火焰有化学抑制作用[2, 3] ，其化学抑制作用主要有异相化学反应机制与均相化学反应机制[4] 。研究表明，房间的通风状况不仅影响火场的燃烧，而且直接影响细水雾的灭火作用[5-9] ，因此本文主要研究在其它因素不变的情况下，通风因子变化时，水雾启动时间、火焰形状和灭火时间的变化情况。

　　3. 数学模型

　　单室火灾是一个包括湍流流动、燃烧及辐射换热的非常复杂的过程。喷入的离散相水雾与热烟气的相互作用，是一个典型的两相流过程，两相之间通过交换质量、动量和能量相互影响。作者使用Finite.rate/Eddy.dissipation模型模拟气相湍流燃烧，使用带浮力修正的RNG k-ε模型模拟燃烧过程中的湍流运动，使用P1模型计算辐射换热，壁面函数采用标准壁面函数。计算区域采用GAMBIT软件生成的二维四边形网格划分。模拟的火灾场景为小室侧壁处发生火灾后生成的热烟气与顶棚喷头释放出的细水雾相互作用的过程。

　　4. 边界条件与初始条件

　　设置两种边界条件，即壁面边界条件及入口边界条件。

　　4.1 壁面边界条件

　　小室中所有壁面假设为绝热固壁，外流温度为300 K，流系数为5W /K·m2。

　　4.2 入口边界条件

　　入口边界条件设置燃料入口和空气入口，燃料入口温度为850K，设为质量流率进口，质量流率取0.05kg/s。空气入口设为速度进口，进口速度为1m/s，温度为300K。

　　4.3 初始条件

　　全场的初始条件：压力为1.01×105 Pa，初始流场速度为0，温度为300 K。

　　使用气体的体积燃烧化学反应(volumetric reaction)模型，湍流与化学反应的相互作用为Finite-rate/Eddy.dissipation模型。燃料为煤油，生成产物为二氧化碳和水蒸气。辐射模型使用P1模型，因为它适用于颗粒状物质与流体的辐射换热。火灾场景如图1所示，生成均匀四边形网格，为了保证计算速度和精度，取网格尺寸为0.05 m，即图中每个小方格的尺寸为0.05×0.05。

　　使用非稳态求解器，为了保证计算速度和精度，时间步长取为0.1s，火灾达到稳态后开始向腔室内喷射水雾，分析了雾滴在腔室中的运动及其与火源的相互作用。喷嘴离左端墙壁2 m，离地2.7 m，实心锥角为60°。在这种布局下，研究了火场中不同粒径粒子的运动特性，离散相设置为Fluent提供的group模型，假设喷嘴释放的水雾液滴粒径满足Rossin-Rammler分布，颗粒直径最小为0.01mm，最大为0.1mm，平均粒径0.04mm，并打开聚合、破碎模型。释放的水雾温度为300 K，流量0.05 kg·s，出口处液滴轴向速度为-12.5～12.5 m/s，轴向速度为-22 m/s。火灾发生后10 s，火场基本达到稳定，这时喷嘴开始响应。

　　5. 结果与讨论

　　5.1 温度场变化

　　由图可知，施加了水雾以后，由于燃烧的热烟气有一个向右的推力，使水蒸气主要存在于右侧，故随着时间的推移，右侧温度降低较快，左侧由于火源的不断放热，而水滴的冷却能力有限，故模拟最后仍存在一个墙壁羽流。

　　5.2 水滴分布情况

　　由图可知，细水雾在由喷嘴喷出以后，在高温的条件下，粒径较小的水滴蒸发，粒径较大的水滴随着右边空气入口来的空气向左运动。

　　6. 结论

　　Fluent可以用于模拟火灾与水雾的相互作用，在高温区域水滴蒸发而使温度降低，模拟仍有一些地方的问题尚未解决：

　　(1) 火源应设置为在燃料入口处加高温体，而使燃料开始燃烧，当施加了水雾以后，由于卷吸作用，使燃料附近的局部温度降低，从而达到灭火的目的，此方法的关键在于怎样点火;

　　(2) 水喷雾施加时是否需要在喷口处设置一速度入口条件;

　　(3) 出口边界条件应如何设置，若设置成压力出口边界条件，喷雾经喷口喷出后会沿出口的方向运动，达不到灭火的目的，无奈之下只能设置入口边界条件，而不设置出口边界条件;针对上述问题，笔者将继续研究，力求更好的掌握Fluent运用于火灾领域的相关知识。